【発明の詳細な説明】
回転角度を無接触で捕捉する測定装置
従来の技術
本発明は、独立請求項の上位概念に記載の回転角度を無接触で捕捉する測定装
置に関する。フランス国特許FR-OS 90 15 223により、ステータとロータが互い
に相対的に動かされるように構成されている測定装置が公知である。この場合、
導磁性材料から成るステータとロータとの間には狭い空隙が設けられている。ロ
ータには、１８０°の長さにわたって第１のリング状の永久磁石が配置されてお
り、これは半径方向に分極されている。やはり１８０°を有するステータの残り
の領域には、逆に分極された第２のリング状の永久磁石が設けられている。さら
にステータは、直径方向に対向する２つの空隙を有している。これらの空隙のう
ち少なくとも一方には、ホールセンサが配置されている。ロータがステータに対
し回転運動すると、ホールセンサを通って進行する磁界の強さが変化する。しか
しこのようにして形成される測定信号の直線的な測定範囲は、±７５°の大きさ
に限られている。しかもこの直線的な測定範囲は、極性符号変化点を有している
。そして場合によっては、これを後続の電気回路において手間をかけて補正する
ことになる可能性がある
。
さらに、あとから公開されたドイツ連邦共和国特許出願DE-OS 196 34 381.3に
より、３つの平面で上下に配置されているセンサが公知である。この場合、ロー
タはまん中の平面を成しており、これは永久磁石のための支持プレートによって
構成されている。支持プレートそのものは非導磁性材料から成り、したがって磁
束は他の２つの平面すなわちステータを介して進み、ステータの２つの平面の間
に配置された２つのスペーサ部材によって制御される。このセンサによればたし
かに極性符号変化なく比較的大きい角度範囲を測定できるが、１８０°を超える
測定には適していない。
発明の利点
これに対し、独立請求項の特徴部分に記載の構成を備えた回転角度を無接触で
捕捉する本発明による測定装置の有する利点とは、センサによって２００°を超
える回転角度を捕捉できることである。また、ほぼ直線的な測定ラインには極性
符号変化点がない。誘導のゼロ点は角度測定のゼロ点に等しい。磁束案内部材と
空隙ないしはスリットの構造的配置に基づき、測定範囲を２４０°よりも大きく
変化させることができる。測定スリットが湾曲していれば、表すべき角度よりも
永久磁石を小さくすることができる。スパイラル状の永久磁石系が表すべき角度
よりも小さければ、磁束案内部材はたとえば完全な円ないしは他の類似の完全な
形状である必要はない。また、駆動軸がセンサ中心点に配置されていなくてもよ
い。従属請求項に記載の構成により、独立請求項に記載の測定装置の有利な実施
形態が可能である。
図面
次に、図面を参照しながら本発明の実施例について説明する。
図１は、図２に示すＩ−Ｉ方向における第１の実施例の断面図である。
図２および図３は、それを上から見た図および下から見た図でる。
図４は、永久磁石の形状を示す図である。
図５は、上記の永久磁石のスパイラルを角度αに依存して示す図である。
図６および図７は、最小角度と最大角度における永久磁石と個々の磁束の位置
を示す図である。
図８は、図１０に示すＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ方向における別の実施例の断面図で
ある。
図９および図１０は、この実施例を下から見た図ないしは上から見た図である
。
図１１は、この実施例の永久磁石の形状を示す図である。
図１２および図１３は、ステータの磁束案内部材に関する変形実施例を示す図
である。
実施例の説明
図１において参照符号１０によってセンサが表されており、これはステータ１
１とロータ１２から成る。ステータはベースプレート１３とカバープレート１４
を有しており、これらは２つのスペーサ部材１５，１６により分離されている。
図３に詳しく示されているように、ベースプレート１３は孔１８を有しており、
この孔を通ってロータ１２の軸１９が突出している。軸１９は図示されていない
部材と連結可能であり、ここではその部材の回転運動を求めようとしている。ロ
ータ１２の支持プレート２０は軸１９を中心にして固定されており、これは非導
磁性材料によって構成されている。支持プレート２０上には永久磁石２１が設け
られており、図４にはその形状が詳細に描かれている。この場合、永久磁石２１
の分極方向は、軸１９に対して平行に配向されている。
図２にはセンサ１０のカバープレート１１について詳しく描かれており、これ
は２つのセグメント２４および２５によって構成されている。これら両方のセグ
メント２４，２５は、第１のスリット２６および第２のスリット２７によって互
いに分離されている。スリット２６は、カバープレート１４の中心点から半径方
向にまっすく外周へ向かって延びている。スリット２６内には、磁界感応素子３
０が配置されている。ここではたとえばマグネットトランジスタや磁気抵抗素子
という磁気的に制御される抵抗部材、あるいはホール
素子を用いることができる。ここで重要であるのは、磁界感応素子はその出力信
号と磁束密度Ｂとができるかぎり直線的な関係をもつようにすることである。冗
長的な測定（確実な測定）のために、１つの素子ではなく複数の素子を組み込む
こともできる。スリット２７は、カバープレート１１の中心点から出発して半径
方向で外側に向かう領域３２を有しており、この領域はスリット２６に対しおお
よそ１２０°の角度を成している。さらにこれに続いてスリット２７は湾曲領域
３３を有しており、これは外周まで延びている。これら両方のスリット２６およ
び２７は、永久磁石２１の磁束ができるかぎりスリット２６だけを介して進行し
、スリット２７は磁束をほとんど阻止するよう、互いに整合されていなければな
らない。この場合、スリット２７はスリット２６よりも幅が広い。また、スリッ
ト２７を空気ではなく他の非導磁性材料によって満たすこともできる。
両方のセグメント２４，２５は、各セグメントが少なくとも永久磁石２１の角
度セグメント程度の大きさとなるように配置する必要がある。つまり、永久磁石
が１８０°よりも大きければ、両方のセグメント２４，２５は図２に示されてい
るように入れ子構造になっている。さらに重要であるのは、永久磁石２１は回転
運動全体にわたりスリット２７を通り過ぎないよう、スリット２７と永久磁石２
１の形状を整合させること
である。図４にはスリット２１の形状が描かれている。そこに示されているよう
に、永久磁石２１の一方の端部は他方の端部よりも幅が狭くなっていなければな
らない。さらに永久磁石は、スパイラル形状または円弧形状を有してなければな
らない。図５には、永久磁石の形状についてダイアグラムとしてさらに詳しく示
されている。これによれば、半径の変化がそれぞれ求めるべき角度範囲に対して
示されている。ここで、永久磁石の一方の側面は直線的な勾配ｒを有することに
なる。その場合、永久磁石の他方の側面は、次式で計算できる半径Ｒとなる。
Ａ＝永久磁石の面積
α＝回転角度
上記の式は、永久磁石がその長さにわたり一定の厚みを有することを前提とし
ている。
永久磁石２１は周知の磁石材料のほかに、プラスチックにより結合された希土
類磁石（たとえばＳｍ2Ｃｏ17）から製造することもできる。
ステータ１１において、カバープレート１４の両方のセグメント２４，２５、
ベースプレート１３ならびにスペーサ部材１６は、導磁性材料殊に軟磁性材料か
ら成る。これに対し第１のスペーサ部材１５は、非導磁性材料から成る。この場
合、軟磁性のスペーサ部材１６は、ベースプレート１３およびカバープレート１
４における両セグメントのうち大きい方と連結されている。非導磁性のスペーサ
部材１５は、ベースプレート１３と小さい方のセグメント２５との間に配置され
ている。スペーサ部材１５は、適切なケーシングへのセンサの組み込み次第では
空気によって構成することもできる。
図６および図７には、最小角度（図６）と最大角度（図７）における両方のセ
グメント２４，２５に対する永久磁石の配置構成が描かれている。さらにこれら
の図面には個々の磁束も書き込まれている。永久磁石の回転方向は時計回りで行
われる。図６に示されているように、回転角度が０°のときには永久磁石２１は
完全にセグメント２４の下に位置する。この場合、磁束はすべて、永久磁石２１
からスペーサ部材１６を介してセグメント２４へ向かうように発生し、図６には
示されていないがベースプレート１３を介して永久磁石２１へと戻ってくる。角
度が０°であるときには磁束はスリット２６を経由せず、つまりは磁界感応素子
３０を通ることはできない。
センサが完全に回転した場合すなわち最大回転角度のとき、図７に描かれてい
るように永久磁石は完全にセグメント２５の下に位置する。この場合、永久磁石
２１において幅の広い方の端部は、スリット２７の領域３２に向かって突出して
いる。したがってスリット２７における領域３２の長さは、永久磁石２１におけ
るこの端部の幅に整合されていなければならない。図７に示されているように、
磁束は永久磁石２１からセグメント２５，スリット２６およびそこに配置された
磁界感応素子３０を介して、セグメント２４へ向かうように発生する。さらに磁
束は、スペーサ部材１６とベースプレート１３を介して永久磁石２１へ戻ってく
る。スリット２７は、その領域においてセグメント２５からセグメント２４へ磁
束が向かうのを阻止する。この場合、すべての磁束はスリット２６および磁界感
応素子３０を経由して進まなければならない。このような配置構成によれば、２
４０°までの角度範囲にわたり磁界感応素子３０における磁束密度の直線的な経
過特性が得られ、その際、直線的な測定曲線において極性符号変化点が生じない
。
図８以下の実施例には、ステータ１１ａのカバープレート１４ａに関する変形
実施形態が示されている。図９に示されているベースプレート１３は、第１の実
施例によるベースプレートに対応している。図１０に示されているように、カバ
ープレート１４ａにおいて磁界感応素子３０を有するスリット２６ａが、ロータ
１２の回転方向に湾曲している。この場合、回転方向は時計回りであるため、ス
リット２６ａは時計回り方向に湾曲している。また、磁束を阻止するスリット２
７ａは、図１０の場合にも半径方向に形成された領域３２ａと湾曲領域３３ａを
有している。スリット２６
ａの形状が回転方向に湾曲しているので、図１１に示されているように永久磁石
２１ａは測定すべき角度範囲よりも小さい角度範囲を有しており、たとえば２４
０°の測定角度のときには永久磁石２１ａは１７０°の角度範囲を有することに
ある。
さらに永久磁石２１ａは、その長さ全体にわたり同じ厚さを有している。スリ
ット２６ａと永久磁石２１ａとの間において、永久磁石の厚さが一定であること
を前提として、表すべき角度セグメントごとにセグメント２４ａないしはセグメ
ント２５ａの下で永久磁石２１ａの等しい面積が変位しなければならない。永久
磁石２１ａの外側の半径では永久磁石２１ａの内側の半径の領域よりも面積変化
が大きいので、スリット２６ａをロータ１２の回転運動で湾曲されているように
配置する必要がある。永久磁石２１ａが回転角度よりも小さく、永久磁石２１ａ
がスパイラル状にないしは湾曲されて形成されていることによって、両方のセグ
メント２４ａと２５ａを入れ子構造にして、ほぼ３６０°の回転角度を直線的な
測定信号で極性符号変化点なく捕捉することができるようになる。これに対応す
る様子が図１２に示されている。この場合、セグメント２５ｂはおおよそハート
形の形態を有している。
図１２によれば、軸１１はたとえば３００°の回転角度を有している。このた
めには、２１０°の角度範囲をもつ磁石が必要である。その場合、スリット２６
ｂは８８°以下で湾曲していなければならないことになる。また、スリット２７
ｂにおける範囲３２ｂの幅は、永久磁石２１の幅によって定まる。さらに、スリ
ット２７ｂにおける区間３３ｂの湾曲は、永久磁石の外側の輪郭と湾曲に整合さ
れていなければならない。
図１３には、カバープレートの１つの変形実施形態が示されており、これは比
較的小さい角度範囲を捕捉すべきものである。このような配置構成における利点
は、両方のセグメント２４ｃと２５ｃを対称にする必要のないことである。また
、前述の実施例とは異なり軸１９がセンサ１０つまりは支持プレート２０の中心
点を通っていなくてもよい。さらにここで重要であるのは、スリット２７ｃがセ
グメント２４ｃと２５ｃの間において、永久磁石２１ａがスリット２７ｃを通過
せず、また、スリット２７ｃを介してごく僅かな磁束しか進めないように形成さ
れていることである。この場合も、スリット２７ｃを空気で構成しなくてもよく
、他の非導磁性材料つまり磁束を阻止する材料によって構成することもできる。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a measuring device for capturing a rotation angle in a non-contact manner according to the preamble of the independent claim. From FR-OS 90 15 223, a measuring device is known in which the stator and the rotor are designed to be moved relative to one another. In this case, a narrow gap is provided between the stator made of a magnetic conductive material and the rotor. A first ring-shaped permanent magnet is arranged on the rotor over a length of 180 °, which is radially polarized. The remaining region of the stator, also having 180 °, is provided with a second, reversely polarized, ring-shaped permanent magnet. Further, the stator has two diametrically opposed air gaps. A hall sensor is arranged in at least one of these gaps. As the rotor rotates relative to the stator, the strength of the magnetic field traveling through the Hall sensor changes. However, the linear measurement range of the measurement signal thus formed is limited to ± 75 °. Moreover, this linear measurement range has a polarity sign change point. In some cases, this may be troublesomely corrected in a subsequent electric circuit. Furthermore, sensors are known from German Patent Application DE-OS 196 34 381.3, published later, which are arranged one above the other in three planes. In this case, the rotor has a central plane, which is constituted by a support plate for the permanent magnets. The support plate itself is made of a non-magnetically conductive material, so that the magnetic flux travels through the other two planes, the stator, and is controlled by two spacer members arranged between the two planes of the stator. Although this sensor can measure a relatively large angle range without a change in polarity sign, it is not suitable for measurement exceeding 180 °. Advantages of the Invention In contrast, the advantage of the measuring device according to the invention for contactlessly capturing a rotation angle with the features of the independent claims is that a rotation angle greater than 200 ° can be captured by a sensor. It is. Also, there is no polarity sign change point on the substantially linear measurement line. The zero point of the lead is equal to the zero point of the angle measurement. Due to the structural arrangement of the flux guide and the air gap or slit, the measuring range can be varied by more than 240 °. If the measuring slit is curved, the permanent magnet can be made smaller than the angle to be represented. If the spiral permanent magnet system is smaller than the angle to be represented, the flux guide does not have to be, for example, a perfect circle or other similar perfect shape. Further, the drive shaft does not have to be arranged at the sensor center point. Advantageous embodiments of the measuring device according to the independent claims are possible with the features of the dependent claims. Drawing Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of the first embodiment in the II direction shown in FIG. 2 and 3 are a top view and a bottom view. FIG. 4 is a diagram illustrating the shape of the permanent magnet. FIG. 5 is a diagram showing the spiral of the permanent magnet depending on the angle α. 6 and 7 are views showing the positions of the permanent magnet and the individual magnetic flux at the minimum angle and the maximum angle. FIG. 8 is a cross-sectional view of another embodiment in the VIII-VIII direction shown in FIG. 9 and 10 are views of this embodiment viewed from below or viewed from above. FIG. 11 is a diagram showing the shape of the permanent magnet of this embodiment. FIG. 12 and FIG. 13 are views showing a modification of the magnetic flux guide member of the stator. DESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS In FIG. 1, a sensor is designated by the reference numeral 10 and comprises a stator 11 and a rotor 12. The stator has a base plate 13 and a cover plate 14, which are separated by two spacer members 15,16. As shown in detail in FIG. 3, the base plate 13 has a hole 18 through which the shaft 19 of the rotor 12 projects. The shaft 19 can be connected to a member, not shown, in which the rotational movement of the member is to be determined. The support plate 20 of the rotor 12 is fixed about a shaft 19 and is made of a non-magnetic material. A permanent magnet 21 is provided on the support plate 20, and its shape is illustrated in detail in FIG. In this case, the polarization direction of the permanent magnet 21 is oriented parallel to the axis 19. FIG. 2 details the cover plate 11 of the sensor 10, which is constituted by two segments 24 and 25. These two segments 24, 25 are separated from each other by a first slit 26 and a second slit 27. The slit 26 extends radially straight from the center point of the cover plate 14 toward the outer periphery. A magnetic field sensitive element 30 is arranged in the slit 26. Here, for example, a magnetically controlled resistance member such as a magnet transistor or a magnetoresistive element, or a Hall element can be used. What is important here is that the magnetic field sensitive element has an output signal and a magnetic flux density B that have a linear relationship as much as possible. Instead of one element, a plurality of elements can be incorporated for redundant measurements (reliable measurements). The slit 27 has a region 32 starting from the center point of the cover plate 11 and extending radially outward, this region making an angle of approximately 120 ° with the slit 26. Following this, the slit 27 has a curved area 33, which extends to the outer circumference. These two slits 26 and 27 must be aligned with one another so that the magnetic flux of the permanent magnet 21 travels only through the slit 26 as far as possible, and the slit 27 almost blocks the magnetic flux. In this case, the slit 27 is wider than the slit 26. Also, the slit 27 can be filled with other non-magnetic material instead of air. Both segments 24, 25 need to be arranged such that each segment is at least as large as the angular segment of the permanent magnet 21. That is, if the permanent magnet is larger than 180 °, both segments 24, 25 are nested as shown in FIG. More importantly, the shape of the slit 27 and the shape of the permanent magnet 21 are matched so that the permanent magnet 21 does not pass through the slit 27 during the entire rotational movement. FIG. 4 illustrates the shape of the slit 21. As shown, one end of the permanent magnet 21 must be narrower than the other end. In addition, the permanent magnet must have a spiral or arc shape. FIG. 5 shows the shape of the permanent magnet in more detail as a diagram. According to this, the change in radius is shown for each angle range to be determined. Here, one side surface of the permanent magnet has a linear gradient r. In that case, the other side of the permanent magnet has a radius R that can be calculated by the following equation. A = permanent magnet area α = rotation angle The above equation assumes that the permanent magnet has a constant thickness over its length. The permanent magnet 21 can also be manufactured from a rare earth magnet (for example, Sm 2 Co 17 ) bonded by a plastic, in addition to a well-known magnet material. In the stator 11, both segments 24, 25 of the cover plate 14, the base plate 13 and the spacer member 16 are made of a magnetically conductive material, in particular a soft magnetic material. On the other hand, the first spacer member 15 is made of a nonmagnetic material. In this case, the soft magnetic spacer member 16 is connected to the larger one of both segments in the base plate 13 and the cover plate 14. The non-magnetic spacer member 15 is disposed between the base plate 13 and the smaller segment 25. The spacer member 15 can also be made of air, depending on the integration of the sensor in a suitable casing. 6 and 7 illustrate the arrangement of permanent magnets for both segments 24, 25 at the minimum angle (FIG. 6) and the maximum angle (FIG. 7). Furthermore, individual magnetic fluxes are also written in these drawings. The rotation direction of the permanent magnet is performed clockwise. As shown in FIG. 6, when the rotation angle is 0 °, the permanent magnet 21 is completely located below the segment 24. In this case, all the magnetic flux is generated from the permanent magnet 21 toward the segment 24 via the spacer member 16 and returns to the permanent magnet 21 via the base plate 13 although not shown in FIG. When the angle is 0 °, the magnetic flux does not pass through the slit 26, that is, cannot pass through the magnetic field sensitive element 30. When the sensor is fully rotated, that is, at the maximum rotation angle, the permanent magnet is completely under the segment 25 as depicted in FIG. In this case, the wider end of the permanent magnet 21 projects toward the region 32 of the slit 27. Therefore, the length of the region 32 in the slit 27 must be matched to the width of this end of the permanent magnet 21. As shown in FIG. 7, the magnetic flux is generated from the permanent magnet 21 toward the segment 24 via the segment 25, the slit 26, and the magnetic field sensitive element 30 disposed therein. Further, the magnetic flux returns to the permanent magnet 21 via the spacer member 16 and the base plate 13. The slit 27 prevents the magnetic flux from going from the segment 25 to the segment 24 in that region. In this case, all magnetic flux must travel via the slit 26 and the magnetic field sensitive element 30. With such an arrangement, a linear course of the magnetic flux density in the magnetic field sensitive element 30 is obtained over an angle range of up to 240 °, without a polarity sign change point occurring in the linear measurement curve. . 8 and the following examples show modified embodiments relating to the cover plate 14a of the stator 11a. The base plate 13 shown in FIG. 9 corresponds to the base plate according to the first embodiment. As shown in FIG. 10, the slit 26 a having the magnetic field sensitive element 30 in the cover plate 14 a is curved in the rotation direction of the rotor 12. In this case, since the rotation direction is clockwise, the slit 26a is curved clockwise. The slit 27a for blocking magnetic flux also has a region 32a formed in the radial direction and a curved region 33a in the case of FIG. Since the shape of the slit 26a is curved in the rotation direction, as shown in FIG. 11, the permanent magnet 21a has an angle range smaller than the angle range to be measured. In the case of an angle, the permanent magnet 21a has an angle range of 170 °. Further, the permanent magnet 21a has the same thickness over its entire length. Assuming that the thickness of the permanent magnet is constant between the slit 26a and the permanent magnet 21a, if an equal area of the permanent magnet 21a is not displaced under the segment 24a or the segment 25a for each angle segment to be represented, No. Since the area change is larger at the outer radius of the permanent magnet 21a than at the inner radius area of the permanent magnet 21a, it is necessary to arrange the slit 26a so as to be curved by the rotational motion of the rotor 12. Since the permanent magnet 21a is smaller than the rotation angle and the permanent magnet 21a is formed in a spiral or curved shape, the two segments 24a and 25a are nested so that the rotation angle of approximately 360 ° is linear. The measurement signal can be captured without changing the sign of the polarity. The corresponding situation is shown in FIG. In this case, the segment 25b has a roughly heart shape. According to FIG. 12, the shaft 11 has a rotation angle of, for example, 300 °. This requires a magnet with an angular range of 210 °. In that case, the slit 26b must be curved at 88 ° or less. The width of the range 32b in the slit 27b is determined by the width of the permanent magnet 21. Furthermore, the curvature of the section 33b in the slit 27b must be matched to the outer contour and curvature of the permanent magnet. FIG. 13 shows one variant embodiment of the cover plate, which should capture a relatively small angular range. An advantage of such an arrangement is that both segments 24c and 25c do not need to be symmetric. Also, unlike the above-described embodiment, the shaft 19 does not have to pass through the sensor 10, that is, the center point of the support plate 20. What is more important here is that the slit 27c is formed between the segments 24c and 25c so that the permanent magnet 21a does not pass through the slit 27c and advances only a slight magnetic flux through the slit 27c. It is that you are. Also in this case, the slit 27c need not be made of air, but may be made of another non-magnetic material, that is, a material that blocks magnetic flux.
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フロントページの続き
(72)発明者 ティルマン ガウガー
ドイツ連邦共和国 Ｄ―72461 アルプシ
ュタット マティアス―グリューネヴァル
ト―シュトラーセ 16────────────────────────────────────────────────── ───
Continuation of front page
(72) Inventor Tillman Gauger
Federal Republic of Germany D-72461 Alpsi
Mutt Matthias-Grunewal
Torstraße 16